JP2014232738A - 太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率の高い太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の太陽電池モジュール１は、光入射面４ａに入射した外光Ｌの一部を複数の光機能材料８ａ，８ｂ，８ｃによって吸収し、複数の光機能材料８ａ，８ｂ，８ｃの間でフェルスター機構によるエネルギー移動を生じさせ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料８ｃから放射された光Ｌ１を光入射面４ａよりも面積の小さい光射出面４ｃに集光して射出する導光体４と、導光体４の光射出面４ｃから射出された光Ｌ１を受光する太陽電池素子６と、を備えている。複数の光機能材料８ａ，８ｂ，８ｃのうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料８ｃの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子６の分光感度は、導光体４に備えられた他のいずれの光機能材料８ａ，８ｂの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子６の分光感度よりも大きい。
【選択図】図２
【解決手段】本発明の太陽電池モジュール１は、光入射面４ａに入射した外光Ｌの一部を複数の光機能材料８ａ，８ｂ，８ｃによって吸収し、複数の光機能材料８ａ，８ｂ，８ｃの間でフェルスター機構によるエネルギー移動を生じさせ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料８ｃから放射された光Ｌ１を光入射面４ａよりも面積の小さい光射出面４ｃに集光して射出する導光体４と、導光体４の光射出面４ｃから射出された光Ｌ１を受光する太陽電池素子６と、を備えている。複数の光機能材料８ａ，８ｂ，８ｃのうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料８ｃの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子６の分光感度は、導光体４に備えられた他のいずれの光機能材料８ａ，８ｂの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子６の分光感度よりも大きい。
【選択図】図２
Description
本発明は、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置に関する。
導光体の端面に太陽電池素子を設置し、導光体の内部を伝播した光を太陽電池素子に入射させて発電を行う太陽光発電装置として、特許文献１に記載の太陽光発電装置が知られている。特許文献１の太陽光発電装置は、導光体を窓として用いる窓型の太陽光発電装置である。特許文献１の太陽光発電装置では、導光体の一主面から入射した太陽光の一部を導光体の内部に伝播させて太陽電池素子に導く。導光体の表面には蛍光体が塗布されており、導光体に入射した太陽光によって蛍光体が励起される。蛍光体から放射された光（蛍光）は導光体の内部を伝播し、太陽電池素子に入射して発電が行われる。
特許文献１の太陽光発電装置では、蛍光体の励起に用いられる太陽光は、導光体に入射する太陽光のうちのごく僅かである。導光体に入射した太陽光の大部分は導光体を透過し、発電に寄与しない。よって、発電効率の高い太陽光発電装置を提供することができない。
本発明の目的は、発電効率の高い太陽電池モジュールおよびこれを用いた太陽光発電装置を提供することにある。
本発明の太陽電池モジュールは、光入射面に入射した外光の一部を複数の光機能材料によって吸収し、前記複数の光機能材料の間でフェルスター機構によるエネルギー移動を生じさせ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料から放射された光を前記光入射面よりも面積の小さい光射出面に集光して射出する導光体と、前記導光体の光射出面から射出された前記光を受光する太陽電池素子と、を備え、前記複数の光機能材料のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料の発光スペクトルのピーク波長における前記太陽電池素子の分光感度は、前記導光体に備えられた他のいずれの光機能材料の発光スペクトルのピーク波長における前記太陽電池素子の分光感度よりも大きい。
前記光機能材料のうち、前記最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料以外の１又は複数の光機能材料には、蛍光量子収率が８０％以下の光機能材料が含まれていてもよい。
前記最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料の蛍光量子収率は、前記導光体に備えられた他のいずれの光機能材料の蛍光量子収率よりも高くてもよい。
前記導光体は、前記光機能材料として、無機材料からなる光機能材料を備えていてもよい。
前記導光体は、前記無機材料からなる光機能材料として、量子ドットからなる光機能材料を備えていてもよい。
前記導光体には、前記導光体の内部から前記導光体の外部に向けて進行する前記光を前記導光体の内部に向けて反射する反射層が、前記導光体と空気層を介して又は前記導光体と空気層を介さずに直接接触して設けられていてもよい。
前記反射層は、入射した光を散乱反射する散乱反射層であってもよい。
前記導光体は、透明導光体の内部に前記複数の光機能材料を分散させることにより形成されていてもよい。
前記導光体は、透明導光体と、前記透明導光体の第１主面に設けられ、内部に前記複数の光機能材料が分散された光機能材料層と、を備えていてもよい。
前記透明導光体と前記光機能材料層とは、剥離可能な粘着層で接着されていてもよい。
前記光入射面は平坦な面であってもよい。
前記導光体は、平坦な板状の部材として構成され、前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光してもよい。
前記光入射面の少なくとも一部は屈曲又は湾曲した面であってもよい。
前記導光体は、湾曲した板状の部材として構成され、前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の湾曲した端面から射出された前記光を受光してもよい。
前記導光体は、筒状の部材として構成され、前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光してもよい。
前記導光体は、柱状の部材として構成され、前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光してもよい。
前記導光体と前記太陽電池素子とを１組とする単位ユニットが、互いに隣接して複数組設置され、前記複数組の単位ユニットが紐状の連結部材で互いに連結されていてもよい。
前記導光体と前記太陽電池素子とを１組とする単位ユニットが、互いに隣接して複数組設置され、前記複数組の単位ユニットが互いに間隔を空けて連結されていてもよい。
本発明の太陽光発電装置は、本発明の太陽電池モジュールを備えている。
本発明によれば、発電効率の高い太陽電池モジュールおよびこれを用いた太陽光発電装置を提供することができる。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の太陽電池モジュール１の概略斜視図である。
図１は、第１実施形態の太陽電池モジュール１の概略斜視図である。
太陽電池モジュール１は、導光体４（蛍光導光体）と、導光体４の第１端面４ｃから射出された光を受光する太陽電池素子６と、導光体４と太陽電池素子６とを一体に保持する枠体１０と、を備えている。
導光体４は、光入射面である第１主面４ａと、第１主面４ａと対向する第２主面４ｂと、光射出面である第１端面４ｃと、を備えている。
導光体４は、Ｚ軸に垂直な（ＸＹ平面と平行な）第１主面４ａ及び第２主面４ｂを有する略矩形の板状部材である。導光体４は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの透明性の高い有機材料もしくは無機材料からなる基材（透明基板）の内部に、複数の光機能材料を分散させたものである。光機能材料としては、例えば、紫外光又は可視光を吸収して可視光又は赤外光を放射する蛍光体、または、紫外光又は可視光を吸収して励起されるが、光を放射せずに失活する非発光体が含まれている。複数の光機能材料のうち少なくとも１つの光機能材料は蛍光体である。蛍光体から放射された光は、導光体４の内部を伝播して第１端面４ｃから射出され、太陽電池素子６で発電に利用される。
なお、可視光は３８０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光であり、紫外光は３８０ｎｍ未満の波長領域の光であり、赤外光は７５０ｎｍよりも大きい波長領域の光である。
外光を有効に取り込めるように、導光体４の基材（透明基板）の材料は４００ｎｍ以下の波長に対して透過性を有することが望ましい。例えば、３６０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長領域の光に対して９０％以上、より好ましくは９３％以上の透過率を有するものが好適である。例えば、シリコン樹脂基板や石英基板、或いは、ＰＭＭＡ樹脂基板においては三菱レイヨン社製の「アクリライト」（登録商標）は、広い波長領域に光に対して高い透明性を有することから、好適である。
導光体４の第１主面４ａ及び第２主面４ｂは概ねＸＹ平面と平行な平坦な面である。導光体４の第１端面４ｃ以外の端面には、導光体４の内部から導光体４の外部に向けて進行する光（蛍光体から放射された光）を導光体４の内部に向けて反射する反射層９が、当該端面に空気層を介して又は当該端面に空気層を介さずに直接接触して設けられている。導光体４の第２主面４ｂには、導光体４の内部から導光体４の外部に向けて進行する光（蛍光体から放射された光）または第１主面４ａから入射したが光機能材料に吸収されずに第２主面４ｂから射出した光を導光体４の内部に向けて反射する反射層７が、第２主面４ｂに空気層を介して又は第２主面４ｂに空気層を介さずに直接接触して設けられている。
反射層７および反射層９としては、銀やアルミニウムなどの金属膜からなる反射層や、ＥＳＲ（Enhanced Specular Reflector）反射フィルム（３Ｍ社製）などの誘電体多層膜からなる反射層などを用いることができる。反射層７および反射層９は、入射した光を鏡面反射する鏡面反射層でもよいし、入射した光を散乱反射する散乱反射層でもよい。反射層７に散乱反射層を用いた場合には、太陽電池素子６の方向に直接向かう光の光量が増えるため、太陽電池素子６への集光効率が高まり、発電量が増加する。また、反射光が散乱されるため、時間や季節による発電量の変化が平均化される。なお、散乱反射層としては、マイクロ発砲ＰＥＴ（ポリエチレン−テレフタレート）（古河電工社製）などを用いることができる。
太陽電池素子６は、受光面を導光体４の第１端面４ｃと対向させて配置されている。太陽電池素子６は、第１端面４ｃと光学接着されていることが好ましい。太陽電池素子６としては、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機系太陽電池などの公知の太陽電池を使用することができる。中でも、化合物半導体を用いた化合物系太陽電池は、高効率な発電が可能であることから、太陽電池素子６として好適である。
図１では、太陽電池素子６を導光体４の１つの端面のみに設置した例を示したが、太陽電池素子６は導光体４の複数の端面に設置してもよい。太陽電池素子６を導光体４の一部の端面（１辺、２辺または３辺）に設置する場合には、太陽電池素子が設置されていない端面には反射層９を設置することが好ましい。
枠体１０は、導光体４の第１主面４ａと対向する面に光Ｌを透過する透過面１０ａを備えている。透過面１０ａは枠体１０の開口部であってもよく、枠体１０の開口部に嵌め込まれたガラス等の透明部材であってもよい。枠体１０の透過面１０ａとＺ方向から見て重なる部分の導光体４の第１主面４ａが、導光体４の光入射面である。また、導光体４の第１端面４ｃが導光体４の光射出面である。
図２は、太陽電池モジュール１の断面図である。
本実施形態の場合、導光体４の内部には、光機能材料として、互いに吸収波長域の異なる複数種類の蛍光体（図２では例えば第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃ）が分散されている。第１蛍光体８ａは、紫外光を吸収して青色の蛍光を放射し、第２蛍光体８ｂは、青色光を吸収して緑色の蛍光を放射し、第３蛍光体８ｃは、緑色光を吸収して赤色の蛍光を放射する。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃは、例えば、ＰＭＭＡ樹脂を成型する際に混入される。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの混合比率は以下の通りである。なお、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの混合比率はＰＭＭＡ樹脂に対する体積比率で示している。
第１蛍光体８ａ：BASF社製Lumogen F Violet 570（商品名） ０．０２％
第２蛍光体８ｂ：BASF社製Lumogen F Yellow 083（商品名） ０．０２％
第３蛍光体８ｃ：BASF社製Lumogen F Red 305（商品名） ０．０２％
第２蛍光体８ｂ：BASF社製Lumogen F Yellow 083（商品名） ０．０２％
第３蛍光体８ｃ：BASF社製Lumogen F Red 305（商品名） ０．０２％
図３ないし図６は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの発光特性及び吸収特性を示す図である。図３において、「第１蛍光体」は、第１蛍光体８ａによって紫外光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示し、「第２蛍光体」は、第２蛍光体８ｂによって青色光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示し、「第３蛍光体」は、第３蛍光体８ｃによって緑色光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示す。図４において、「第１蛍光体＋第２蛍光体＋第３蛍光体」は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃによって紫外光、青色光及び緑色光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示す。図５において、「第１蛍光体」は、第１蛍光体８ａの発光スペクトルであり、「第２蛍光体」は、第２蛍光体８ｂの発光スペクトルであり、「第３蛍光体」は、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルである。図６において、「第１蛍光体＋第２蛍光体＋第３蛍光体」は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃを含む導光体の第１端面から射出される光のスペクトルである。
図３及び図４に示すように、第１蛍光体８ａは、概ね４２０ｎｍ以下の波長の光を吸収し、第２蛍光体８ｂは、概ね４２０ｎｍ以上５２０ｎｍ以下の波長の光を吸収し、第３蛍光体８ｃは、概ね５２０ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の波長の光を吸収する。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃによって、導光体に入射した太陽光のうち６２０ｎｍ以下の波長の光が概ね全て吸収される。太陽光のスペクトルにおいて波長が６２０ｎｍ以下の光の割合は４８％程度である。よって、導光体の光入射面に入射した光のうち４８％は導光体に含まれる第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃに吸収される。
図５に示すように、第１蛍光体８ａの発光スペクトルは、４３０ｎｍにピーク波長を有し、第２蛍光体８ｂの発光スペクトルは、５２０ｎｍにピーク波長を有し、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルは、６３０ｎｍにピーク波長を有する。しかしながら、図６に示すように、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃを含む導光体の第１端面から射出される光のスペクトルは、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長（６３０ｎｍ）に対応する波長にのみピーク波長を有し、第１蛍光体８ａの発光スペクトルのピーク波長（４３０ｎｍ）及び第２蛍光体８ｂの発光スペクトルのピーク波長（５２０ｎｍ）に対応する波長にはピーク波長を有しない。
第１蛍光体８ａに対応する発光スペクトルのピーク及び第２蛍光体８ｂに対応する発光スペクトルのピークが消失した原因は、フォトルミネッセンス（Photoluminescence ;PL）による蛍光体間のエネルギー移動や、フェルスター機構（蛍光共鳴エネルギー移動）による蛍光体間のエネルギー移動などが挙げられる。フォトルミネッセンスによるエネルギー移動は、一の蛍光体から放射された蛍光が他の蛍光体の励起エネルギーとして利用されることにより生じるものである。フェルスター機構は、このような光の発光及び吸収のプロセスを経ずに、近接した２つの蛍光体の間で励起エネルギーが電子の共鳴により直接移動するものである。フェルスター機構による蛍光体間のエネルギー移動は、光の発光及び吸収のプロセスを介さずに行われるため、最適条件ではエネルギーのロスが小さい。よって、太陽電池モジュールの発電効率の向上に寄与する。本実施形態では、エネルギーロスを抑制して効率よく発電を行うために、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃの密度を高くし、蛍光体間でフェルスター機構によるエネルギー移動が行われるようにしている。
ここで、図７及び図８を用いてフェルスター機構について説明する。図７（ａ）は、フォトルミネッセンスによるエネルギー移動を示す図であり、図７（ｂ）は、フェルスター機構によるエネルギー移動を示す図である。図８（ａ）は、フェルスター機構によるエネルギー移動の発生機構を説明するための図であり、図８（ｂ）は、フェルスター機構によるエネルギー移動を示す図である。
図７（ｂ）に示すように、有機分子や無機ナノ粒子の蛍光体では、励起状態にある分子Ａから基底状態の分子Ｂに対してフェルスター機構によってエネルギー移動が生じることがある。蛍光体では、分子Ａが励起されたときに、分子Ｂにエネルギー移動を起こすと、分子Ｂが発光する。このエネルギー移動は、分子間の距離と分子Ａの発光スペクトルと分子Ｂの吸収スペクトルに依存する。分子Ａをホスト分子、分子Ｂをゲスト分子とするとき、エネルギー移動するときの速度定数ｋH→G（移動確率）は式（１）のようになる。
なお、式（１）において、νは振動数、ｆ′Ｈ（ν）はホスト分子Ａの発光スペクトル、ε（ν）はゲスト分子Ｂの吸収スペクトル、Ｎはアボガドロ定数、ｎは屈折率、τ０はホスト分子Ａの蛍光寿命、Ｒは分子間距離、Ｋ２は遷移双極子モーメント（ランダム時２／３）である。
速度定数が大きいと、蛍光体間でエネルギー移動が生じやすくなる。大きな速度定数を得るためには、以下の条件が満たされることが望ましい。
［１］ホスト分子Ａの発光スペクトルとゲスト分子の吸収スペクトルの重なりが大きい。
［２］ゲスト分子Ｂの吸光係数が大きい。
［３］ホスト分子Ａとゲスト分子Ｂとの間の距離が小さい。
［１］ホスト分子Ａの発光スペクトルとゲスト分子の吸収スペクトルの重なりが大きい。
［２］ゲスト分子Ｂの吸光係数が大きい。
［３］ホスト分子Ａとゲスト分子Ｂとの間の距離が小さい。
上記［１］は、近接した２つの蛍光体間での共鳴のし易さを表すものである。例えば、図８（ａ）に示すように、ホスト分子Ａの発光スペクトルのピーク波長とゲスト分子Ｂの吸収スペクトルのピーク波長とが近いと、フェルスター機構によるエネルギー移動が生じやすくなる。図８（ｂ）に示すように、励起状態のホスト分子Ａの近くに基底状態のゲスト分子Ｂが存在すると、共鳴的性質によりゲスト分子Ａの波動関数が変化し、基底状態のホスト分子Ａと励起状態のゲスト分子Ｂができる。これにより、ホスト分子Ａとゲスト分子Ｂとの間でエネルギー移動が生じ、ゲスト分子Ｂが発光する。
上記［３］において、フェルスター機構によるエネルギー移動が起こる分子間距離は、通常、１０ｎｍ程度である。条件が合えば、分子間距離が２０ｎｍ程度であってもエネルギー移動は起きる。上述した第１蛍光体、第２蛍光体及び第３蛍光体の混合比率であれば、蛍光体間の距離は２０ｎｍよりも短くなる。よって、フェルスター機構によるエネルギー移動は十分に生じうる。また、図３及び図５に示した第１蛍光体、第２蛍光体及び第３蛍光体の発光スペクトル及び吸収スペクトルは、上記［１］の条件を十分に満たしている。よって、第１蛍光体から第２蛍光体へのエネルギー移動、及び、第２蛍光体から第３蛍光体へのエネルギー移動が生じ、第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体の順にカスケード型のエネルギー移動が生じる。
導光体では、３つの異なる発光スペクトルを有する蛍光体（第１蛍光体、第２蛍光体、第３蛍光体）を混入しているにもかかわらず、フェルスター機構によるエネルギー移動により、実質的には第３蛍光体の発光のみが生じる。第３蛍光体の発光量子効率は例えば９２％である。よって、導光体に第１蛍光体、第２蛍光体及び第３蛍光体を混入することで、６２０ｎｍまでの波長領域の光を吸収し、９２％の効率でピーク波長が６３０ｎｍの赤色の発光を生じさせることができる。
このようなエネルギー移動現象は、有機の蛍光体に特有の現象で、一般的に無機の蛍光体では起こらないとされているが、量子ドットなどのいくつかの無機ナノ粒子の蛍光体においてはフェルスター機構により、無機材料間、或いは、無機材料と有機材料との間でエネルギー移動を生じるものが知られている。
例えば、ＺｎＯ／ＭｇＺｎＯコア・シェル構造の２種類の異なったサイズの量子ドットの間でエネルギー移動が起こる。１：√２の寸法比を持つ量子ドットは共鳴する励起子準位を持つため、例えば半径３ｎｍ（発光スペクトルのピーク波長：３５０ｎｍ）と半径４．５ｎｍ（発光スペクトルのピーク波長：３５７ｎｍ）の２種類の量子ドットの間では、小さい量子ドットから大きい量子ドットへエネルギー移動が起こる。またＣｄＳｅ／ＺｎＳコア・シェル構造の２種類の異なったサイズの量子ドットの間でもエネルギー移動が起こる。また、直径８ｎｍないし９ｎｍのＭｎ２＋ドープＺｎＳｅ量子ドットは、４５０ｎｍと５８０ｎｍに発光ピークを持ち、色素分子である1’,3’-dihydro-1’,3’,3’-trimethyl-6-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2’-(2H)-indole] に紫外線を照射して得られる開環型のSpiropyran分子（SPO open; Merocynanine form）の光吸収スペクトルとよく一致し、量子ドットから色素分子へのエネルギー移動が起こる。一般に、無機の蛍光体は、有機の蛍光体に比べて耐光性が優れるため、長期間使用する場合に有利である。
通常、２種類の蛍光体を混入した場合には、図７（ａ）のように、まず蛍光体Ａがある効率で発光し、蛍光体Ｂに入射し、蛍光体Ｂで光の吸収及び発光のプロセスを経ることによって、蛍光体Ｂから光が放射される。このようなフォトルミネッセンスによるエネルギー移動は、蛍光体Ａにおける光の発光プロセス及び蛍光体Ｂにおける光の吸収プロセスでエネルギーのロスが生じ、エネルギー移動効率が小さい。
一方、図７（ｂ）に示したフェルスター機構によるエネルギー移動は、蛍光体間でダイレクトにエネルギーのみが移動するので、エネルギー移動効率はほぼ１００％にすることが可能であり、高効率にエネルギー移動を生じさせることができる。
また、フェルスター機構によるエネルギー移動は、蛍光体のような発光材料だけでなく、外光によって励起されるが、光を発生せずに失活する非発光体においても生じる。最終的な発電量は、ゲスト分子の蛍光量子収率によって決まり、ホスト分子の蛍光量子収率には依存しない。よって、ゲスト分子のみを蛍光量子収率の高い蛍光体で構成し、ホスト分子を蛍光量子収率の低い蛍光体又は蛍光を発しない非発光体で構成しても、同じ発電量が得られる。よって、フォトルミネッセンスによりエネルギー移動を行う場合のように、全ての蛍光体に対して高い蛍光量子収率が求められる場合に比べて、ホスト分子の材料選択の幅が広がる。
図９は、太陽電池素子６の一例であるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度曲線を第１蛍光体の発光スペクトル、第２蛍光体の発光スペクトルおよび第３蛍光体の発光スペクトルとともに示す図である。
導光体４の第１端面４ｃから射出される光Ｌ１のスペクトルは、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルと概ね一致する。よって、太陽電池素子６は、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長（６３０ｎｍ）において高い感度を有するものであればよい。図９に示すように、アモルファスシリコン太陽電池は６００ｎｍ付近の波長の光に対して最も高い分光感度を有する。第１蛍光体、第２蛍光体および第３蛍光体の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度を比較すると、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい第３蛍光体の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度は、導光体に備えられた他のいずれの蛍光体（第１蛍光体、第２蛍光体）の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度よりも大きい。そのため、太陽電池素子６としてアモルファスシリコン太陽電池を用いれば、高い効率で発電を行うことができる。
例えば、縦３０ｃｍ×横３０ｃｍ×厚さ５ｍｍのＰＭＭＡ樹脂を用いた正方形の導光体に対してエアマス（ＡＭ）１．５の太陽光をＺ方向から垂直に入射させ、アモルファスシリコン太陽電池を端面に設置したときの発電量を測定すると、次のようになった。
導光体４に含まれる第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃの材料および量は前述したものであり、その発光スペクトルおよび吸収スペクトルは、図３ないし図６に示したものである。導光体４の屈折率は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの量が少ないことから、基材であるＰＭＭＡ樹脂と同じ１．４９である。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの蛍光量子収率はいずれも９５％である。アモルファスシリコン太陽電池の分光特性は図９に示したものである。なお、「エアマス」とは、地球大気に入射した太陽光直達光が通過した路程の長さを表すものである。標準状態の大気圧（標準気圧：１０１３ｈＰａ）に垂直に入射した太陽光直達光が通過した路程の長さをＡＭ１．０として、それに対する倍率で路程の長さを表す。ＡＭ１．５の太陽光の光量は、１００ｍＷ／ｃｍ２である。
ＡＭ１．５の太陽光を導光体４に対して垂直に入射させると、入射光の４８％が第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃにより吸収され、フェルスター機構によって、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃの順にカスケード型のエネルギー移動が生じ、第３蛍光体８ｃから蛍光が放射される。第３蛍光体８ｃから放射された蛍光は、導光体４の内部を伝播し、第１端面４ｃから射出される。このとき、導光体４と周囲の空気層との屈折率差により導光体４の内部を全反射せずに外部に漏れ出す光Ｌ１の割合は２５％、導光体４の内部を伝播する際の光のロスは５％となり、導光体４の第１端面４ｃから射出される光Ｌ１の割合は、導光体４の光入射面４ａに入射した光の７０％となる。第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長近傍の波長領域におけるアモルファスシリコン太陽電池のエネルギー変換効率は２２％である。このとき、発電量は６．３２Ｗであった。
太陽電池素子６に適用する太陽電池の種類は、当該太陽電池素子に入射する光の波長に応じて決定される。図９では、太陽電池素子６としてアモルファスシリコン太陽電池を用いたが、太陽電池素子６はこれに限られない。
図１０は、太陽電池素子６として利用可能な種々の太陽電池の分光感度曲線を示す図である。図１１は、これらの太陽電池のエネルギー変換効率ηλを示す図である。図１０および図１１において、「ｃ−Ｓｉ」は単結晶シリコン太陽電池であり、「ａ−Ｓｉ（１ｊ）」はアモルファスシリコン太陽電池（単接合）であり、「ＧａＡｓ（１ｊ）」はガリウムヒ素太陽電池（単接合）であり、「ＣｄＴｅ」はカドミウムテルル太陽電池であり、「ＣＩＧＳＳｅ」はＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２太陽電池である。
図１０および図１１に示した太陽電池では、最も発光スペクトルのピーク波長が大きい第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長（６３０ｎｍ）における太陽電池の分光感度およびエネルギー変換効率は、導光体４に備えられた他のいずれの蛍光体（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池の分光感度およびエネルギー変換効率よりも大きい。そのため、太陽電池素子６として、これらの太陽電池を用いれば、高い効率で発電を行うことができる。
例えば、太陽電池素子６として、単結晶シリコン太陽電池（ｃ−Ｓｉ）を用いた場合には、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長近傍の波長領域における単結晶シリコン太陽電池のエネルギー変換効率は２４％であるため、発電量は６．９Ｗであった。また、太陽電池素子６として、ガリウムヒ素太陽電池（ＧａＡｓ（１ｊ））を用いた場合には、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長近傍の波長領域におけるガリウムヒ素太陽電池のエネルギー変換効率は４０％であるため、発電量は１１．５Ｗであった。
図１０および図１１は、太陽電池素子６として利用可能な太陽電池の一例であり、これ以外の太陽電池を用いることも勿論可能である。太陽電池素子６としては、色素増感型太陽電池や有機系太陽電池など、太陽光の全波長領域に対しては高い分光感度を有することはできないが、特定の狭い波長領域の光に対しては非常に高い分光感度を有するような太陽電池を積極的に使用することも可能である。
以上のように、本実施形態の太陽電池モジュール１では、光入射面４ａに入射した外光Ｌの一部を複数の光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）によって吸収し、複数の光機能材料の間でフェルスター機構によるエネルギー移動を生じさせ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料（第３蛍光体８ｃ）から放射された光Ｌ１を導光体４の第１端面４ｃに集光させて太陽電池素子６に入射させている。そのため、太陽電池素子６としては、限定された狭い波長範囲において非常に高い分光感度を有する太陽電池を用いることができ、発電効率の高い太陽電池モジュールが提供される。
［第２実施形態］
図１２は、第２実施形態の太陽電池モジュールに適用される導光体（蛍光導光体）２４の断面図である。導光体２４以外の構成は、第１実施形態の太陽電池モジュール１と同じである。よって、ここでは導光体２４の構成のみを説明する。また、第１実施形態の太陽電池モジュール１と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図１２は、第２実施形態の太陽電池モジュールに適用される導光体（蛍光導光体）２４の断面図である。導光体２４以外の構成は、第１実施形態の太陽電池モジュール１と同じである。よって、ここでは導光体２４の構成のみを説明する。また、第１実施形態の太陽電池モジュール１と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
導光体２４は、透明導光体２５と、透明導光体２５の第１主面２５ａに接着された蛍光フィルム２６と、蛍光フィルム２６の表面を覆う透明保護膜２７と、を備えている。
蛍光フィルム２６は、内部に、前述した光機能材料として、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃが分散されたフィルム状の光機能材料層である。蛍光フィルム２６は、第１主面２６ａに入射した外光（例えば太陽光）の一部を蛍光に変換し、透明導光体２５に向けて放射する。蛍光フィルム２６は、例えば、ＰＭＭＡ樹脂の内部に第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃをそれぞれＰＭＭＡ樹脂に対する体積比率で０．２％混入し、２００μｍの厚みのフィルムに形成したものである。
透明導光体２５及び透明保護膜２７としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの透明性の高い有機材料もしくは無機材料が用いられる。例えば、透明導光体２５は、厚さ５ｍｍのアクリル板からなり、透明保護膜２７は、厚さ２００μｍのＰＭＭＡ樹脂の膜からなる。図１２では、透明保護膜２７と蛍光フィルム２６と透明導光体２５とをこの順に外光Ｌの入射側から配置しているが、図１３のように透明導光体２５と蛍光フィルム２６と透明保護膜２７とをこの順に外光Ｌの入射側から配置してもよい。
透明導光体２５及び透明保護膜２７は、光機能材料を含まない透明性の高い材料で構成されている。蛍光フィルム２６から放射された蛍光（図５に示した第３蛍光体８ｃの発光スペクトルと概ね同じスペクトルの光）の一部は、透明導光体２５及び透明保護膜２７の内部を全反射しながら透明導光体２５及び透明保護膜２７の端面に向けて伝播する。透明導光体２５及び透明保護膜２７の端面から射出された光は、太陽電池素子に入射し、発電に利用される。
蛍光フィルム２６と透明導光体２５とは、図１４に示すような剥離可能な粘着層２８によって接着されている。蛍光フィルム２６は、破損、劣化、又は異物（砂埃や鳥の糞など）の付着などが生じた場合に、透明導光体２５から剥離して交換される。蛍光フィルム２６と粘着層２８と透明導光体２５の屈折率はいずれも１．４９である。蛍光フィルム２６から放射された蛍光は、蛍光フィルム２６、粘着層２８及び透明導光体２５の内部をロスなく伝播する。そのため、第１実施形態と同様の条件で測定を行うと、発電量は６．３２Ｗとなり、第１実施形態と同様の発電量が得られた。このような粘着層２８としては、例えば、パナック社製のゲルポリ（商品名）などが利用できる。
上記構成の導光体２４では、蛍光フィルム２６と透明導光体２５とが剥離可能な粘着層２８で接着されている。そのため、蛍光フィルム２６に破損、劣化、又は異物の付着（砂埃や鳥の糞など）などが生じ発電効率が低下した場合には、蛍光フィルム２６のみを透明導光体２５から剥がして交換することができる。よって、導光体全体を交換する場合に比べて、保守の費用を少なくすることができる。
［第３実施形態］
図１５は、第３実施形態の太陽電池モジュールで用いられる光機能材料の発光スペクトルおよび太陽電池素子の分光感度を示す図である。
図１５は、第３実施形態の太陽電池モジュールで用いられる光機能材料の発光スペクトルおよび太陽電池素子の分光感度を示す図である。
第１実施形態の太陽電池モジュール１では、導光体４に備えられる複数の光機能材料として、いずれも蛍光量子収率の高い３つの蛍光体（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）を用いた。それに対して、本実施形態の太陽電池モジュールでは、導光体に備えられる複数の光機能材料として、蛍光量子収率の低い第４蛍光体と、蛍光量子収率の高い第５蛍光体が用いられている。第４蛍光体はホスト分子であり、第５蛍光体はゲスト分子であり、第４蛍光体と第５蛍光体との間でフェルスター機構によるエネルギー移動が生じ、実質的に、ゲスト分子である第５蛍光体のみが発光する。
第４蛍光体は、例えばＮＰＢ（N,N-di(naphthalene-1-yl)-N,N-diphenyl-benzidene）である。第４蛍光体の蛍光量子収率は４２％であり、第４蛍光体の発光スペクトルのピーク波長は４３０ｎｍである。第５蛍光体は、例えばルブレンである。第５蛍光体の蛍光量子収率は１００％近い高い蛍光量子収率であり、第５蛍光体の発光スペクトルのピーク波長は５６０ｎｍである。第４蛍光体に対して第５蛍光体の含有量は２％とされている。本実施形態の導光体は、例えば、厚さ２ｍｍのガラス基板などからなる透明導光体の第１主面に、第４蛍光体と第５蛍光体とを含む光機能材料層を５μｍの厚みで成膜し、光機能材料層の表面に透明保護膜としてパリレンを１μｍの厚みで成膜することにより形成される。
太陽電池素子としては、アモルファスシリコン太陽電池が用いられている。第４蛍光体および第５蛍光体の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度を比較すると、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい第５蛍光体の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度は、導光体に備えられた他のいずれの蛍光体（第４蛍光体）の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度よりも大きい。そのため、太陽電池素子としてアモルファスシリコン太陽電池を用いれば、高い効率で発電を行うことができる。
第１実施形態と同様に発電量を測定すると、発電量は５．６Ｗであった。フェルスター機構によるエネルギー移動が起こらずに、フォトルミネッセンスによって発光および吸収のプロセスを経て第４蛍光体の励起エネルギーが第５蛍光体に移動したとすると、発電量は４Ｗである。よって、フォトルミネッセンスによるプロセスを経る場合に比べて、４０％程度発電量が増加する。
本実施形態では、ホスト分子である第４蛍光体の蛍光量子収率は４２％と非常に小さいが、フェルスター機構によるエネルギー移動では、最終的な発電量は、ゲスト分子の蛍光量子収率によって決まり、ホスト分子の蛍光量子収率には依存しない。よって、ゲスト分子のみを蛍光量子収率の高い蛍光体で構成すれば、ホスト分子を蛍光量子収率の低い蛍光体で構成しても、同じ発電量が得られる。一般に、蛍光体は発光体として利用されるので、蛍光量子収率の低い蛍光体は使用することができないが、本実施形態のように、発光させずにエネルギーのみをダイレクトに移動させる場合には、蛍光量子収率が低くても、最終的な発電量は変わらないので、使用することが可能となる。一般に、蛍光量子収率の高い蛍光体は、価格が高く、耐光性が低く、寿命の短いものが多いので、保守の費用が高くなるが、蛍光量子収率の低い蛍光体は、価格が低く、材料も豊富で、耐光性が高く、寿命の長いものが多いので、保守の費用を少なくすることができる。
第４蛍光体としては、蛍光量子収率が９０％未満のもの、より好ましくは、蛍光量子収率が８０％以下のものを用いることが好ましい。一般に、太陽電池の寿命は変換効率が初期値の９０％になるまでの時間とされていることから、導光体においても蛍光体の発光強度が１０％落ちるまでの時間を寿命とみなすことができる。蛍光体は、通常、発光体としての利用が前提となるので、蛍光量子収率としては、１００％〜９０％の高い蛍光量子収率が求められる。よって、蛍光体の寿命は、蛍光量子収率が初期値から１０％落ちるまでの時間、すなわち、蛍光量子収率が９０％〜８１％になるまでの時間とみなすことができる。よって、蛍光量子収率が８０％以下の蛍光体は、通常は使用されることはなく、このような蛍光体が存在したとしても、性能の悪い蛍光体として安価に入手することができる。よって、このような蛍光量子収率の低い蛍光体を用いれば、発電効率の高い太陽電池モジュールを安価に提供することができる。
本実施形態では、第４蛍光体の一例としてＮＰＢを用いたが、第４蛍光体はこれに限定されない。他の材料としては、N,N’-bis(3-methylphenyl)-N,N’-diphenyl- [1,1’-biphenyl]-4,4’-diamine (TPD)、4,4’-bis-[N-(1-naphthyl)-N-phenylamino]-biphenyl) (a-NPD)、4,4’-bis-[N-(9-phenanthyl)-N-phenylamino]-biphenyl (PPD)、N,N,N’,N’-tetra-tolyl-1,1’-cyclohexyl-4,4’-diamine (TPAC)、1,1,4,4-tetraphenyl-1,3-butadiene（TPB）、TACP, Poly(N-vinylcarbazole) (PVK)、4,4',4''-tri(N-carbazolyl)triphenylamine (TCTA)、1,3,5-tris[4-(3-methylphenylphenylamino)phenyl]benzene (m-MTDAPB)、1,3,5-tris[N-(4-diphenylaminophenyl)phenylamino]benzene (p-DPA-TDAB)、4,4,4''-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine (m-MTDATA)、4,4',4''-tris(1-naphthylphenylamino)triphenylamine (1-TNATA)、4,4',4''-tris(2-naphthylphenylamino)triphenylamine (2-TNATA)、1,3,5-tris(4-tert-butylphenyl-1,3,4-oxadiazolyl)benzene (TPOB)、tri(p-terphenyl-4-yl)amine (p-TTA)、bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}oligothiophene (BMA-nT)、2,5-bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}thiophene (BMA-1T)、5,5''-bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}-2,2'-bithiophene (BMA-2T)、5,5''-bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}-2,2':5',2''-terthiophene (BMA-3T)、5,5'''-bis{4-[bis(4-methylphenyl)amino]phenyl}-2,2':5',2'':5'',2''-quaterthiophene (BMA-4T)、
2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole (PBD)、2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP)、4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (Bphen)、2,9-bis(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (NBphen)、1,3-bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene (OXD-7)、3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole (TAZ)、4,4'-bis(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)biphenyl (BTB)、2,5-Bis(1-naphthyl)-1,3,4-oxadiazole (BND)、
4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl (CBP)、2,2',7,7'-tetrakis(carbazol-9-yl)-9,9-spirobifluorene (Spiro-CBP)、1,3,5-tris(carbazol-9-yl)benzene (TCP), 1,3-bis(carbazol-9-yl)benzene (MCP)、
4,4'-di(triphenylsilyl)-biphenyl (BSB)、1,4-bis(triphenylsilyl)benzene (UGH-2)、1,3-bis(triphenylsilyl)benzene (UGH-3)などの有機蛍光体や、ZnO、CdSe、 ZnSe、 AlN, GaN, InN, InP, GaP, GaAs, ZnS, CdSなどで構成される量子ドットからなる無機蛍光体などが挙げられるが、これらに限定されるものでもない。
2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole (PBD)、2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP)、4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (Bphen)、2,9-bis(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (NBphen)、1,3-bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene (OXD-7)、3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole (TAZ)、4,4'-bis(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)biphenyl (BTB)、2,5-Bis(1-naphthyl)-1,3,4-oxadiazole (BND)、
4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl (CBP)、2,2',7,7'-tetrakis(carbazol-9-yl)-9,9-spirobifluorene (Spiro-CBP)、1,3,5-tris(carbazol-9-yl)benzene (TCP), 1,3-bis(carbazol-9-yl)benzene (MCP)、
4,4'-di(triphenylsilyl)-biphenyl (BSB)、1,4-bis(triphenylsilyl)benzene (UGH-2)、1,3-bis(triphenylsilyl)benzene (UGH-3)などの有機蛍光体や、ZnO、CdSe、 ZnSe、 AlN, GaN, InN, InP, GaP, GaAs, ZnS, CdSなどで構成される量子ドットからなる無機蛍光体などが挙げられるが、これらに限定されるものでもない。
本実施形態では、ホスト分子を１種類の光機能材料（第４蛍光体）のみで構成したが、２種類以上の光機能材料をホスト材料として用いることもできる。その場合、最終的な発電量は、最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料の蛍光量子収率によって決まるため、最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料の蛍光量子収率は、導光体に備えられた他のいずれの光機能材料の蛍光量子収率よりも高いことが望ましい。
［第４実施形態］
図１６は、第４実施形態の太陽電池モジュールで用いられる光機能材料の発光スペクトルおよび太陽電池素子の分光感度を示す図である。
図１６は、第４実施形態の太陽電池モジュールで用いられる光機能材料の発光スペクトルおよび太陽電池素子の分光感度を示す図である。
第３実施形態の太陽電池モジュールでは、ホスト分子として、蛍光量子収率が４２％の第４蛍光体が用いられていた。それに対して、本実施形態の太陽電池モジュールでは、ホスト分子として、蛍光量子収率が３％の第６蛍光体が用いられている。第６蛍光体は、蛍光量子収率が非常に低く、実質的に光を発しない非発光体とみなすことができる。第６蛍光体はホスト分子であり、第５蛍光体はゲスト分子であり、第６蛍光体と第５蛍光体との間でフェルスター機構によるエネルギー移動が生じ、実質的に、ゲスト分子である第５蛍光体のみが発光する。
第６蛍光体は、例えばＴＰＤＳ（N,N,N’,N’-tetra-tolyl-1,1’-diphenylsulphide-4,4’-diamine）である。第６蛍光体の蛍光量子収率は３％であり、第６蛍光体の発光スペクトルのピーク波長は４２０ｎｍである。第５蛍光体は、第３実施形態と同じルブレンである。第６蛍光体に対して第５蛍光体の含有量は３％とされている。本実施形態の導光体は、例えば、厚さ２ｍｍのガラス基板などからなる透明導光体の第１主面に、第４蛍光体と第５蛍光体とを含む光機能材料層を５μｍの厚みで成膜し、光機能材料層の表面に透明保護膜としてパリレンを１μｍの厚みで成膜することにより形成される。
太陽電池素子としては、アモルファスシリコン太陽電池が用いられている。第６蛍光体および第５蛍光体の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度を比較すると、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい第５蛍光体の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度は、導光体に備えられた他のいずれの蛍光体（第６蛍光体）の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度よりも大きい。そのため、太陽電池素子としてアモルファスシリコン太陽電池を用いれば、高い効率で発電を行うことができる。
第１実施形態と同様に発電量を測定すると、発電量は第３実施形態と同じ５．６Ｗであった。フェルスター機構によるエネルギー移動が起こらずに、フォトルミネッセンスによって発光および吸収のプロセスを経て第６蛍光体の励起エネルギーが第５蛍光体に移動したとすると、発電量は２．９Ｗである。よって、フォトルミネッセンスによるプロセスを経る場合に比べて、９３％程度発電量が増加する。
第６蛍光体のように蛍光量子収率の低い蛍光体は安価に入手できて、耐光性が高いので、発電効率の高い太陽電池モジュールを安価に提供できる。
［第５実施形態］
図１７は、第５実施形態の太陽電池モジュール３２の模式図である。太陽電池モジュール３２では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３０と太陽電池素子３１の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３０と太陽電池素子３１の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
図１７は、第５実施形態の太陽電池モジュール３２の模式図である。太陽電池モジュール３２では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３０と太陽電池素子３１の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３０と太陽電池素子３１の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
太陽電池モジュール３２では、導光体３０は、湾曲した板状の部材として構成され、太陽電池素子３１は、光射出面である導光体３０の湾曲した第１端面３０ｃから射出された光を受光するように構成されている。導光体３０は、例えば、厚みが一定の板状の部材をＹ軸と平行な軸の回りに湾曲させた形状を有する。導光体３０の第１主面３０ａと第２主面３０ｂのうち、外側に凸状に湾曲した第１主面３０ａが、外光（例えば太陽光）Ｌが入射する光入射面である。
光入射面３０ａに入射した光Ｌは、導光体３０の内部に分散された図示略の複数の光機能材料によって吸収される。そして、複数の光機能材料の間でフェルスター機構によるエネルギー移動が生じ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料から放射された光が、光入射面３０ａよりも面積の小さい光射出面３０ｃに集光して射出される。導光体３０の内部に分散される複数の光機能材料としては、例えば、図２ないし図６に示した第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃが用いられている。
太陽電池素子３１としては、第１実施形態と同じアモルファスシリコン太陽電池が用いられている。太陽電池素子３１は、受光面を導光体３０の第１端面３０ｃと対向させて配置されている。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３１の分光感度を比較すると、複数の光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料（第３蛍光体８ｃ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３１の分光感度は、導光体３０に備えられた他のいずれの光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３１の分光感度よりも大きい。これにより、発電効率の高い太陽電池モジュール３２が提供される。
太陽電池モジュール３２では、導光体３０の光入射面３０ａが湾曲した面となっている。そのため、昼間と夕方のように時間帯によって光Ｌの入射角が導光体３０の湾曲方向に沿って変化した場合でも、発電量は大きく変化しない。通常、太陽電池で発電を行う場合には、太陽電池の受光面が光の入射方向を向くように、追尾装置を設けて太陽電池の角度を２軸方向で制御することが行われるが、本実施形態のように、導光体３０の光入射面３０ａが様々な方向を向くように湾曲した形状となっている場合には、そのような追尾装置を設ける必要がない。仮に追尾装置を設ける場合でも、湾曲方向と直交する方向の角度制御のみでよいため、２軸方向で角度制御を行う場合に比べて追尾装置の構成を簡素化することができる。本実施形態の場合、導光体３０は一方向に湾曲した形状とされているが、導光体３０の形状はこれに限らない。例えば半球状や釣鐘状などのドーム形状とすることもできる。その場合には、追尾装置は不要になる。
太陽電池モジュール３２では、導光体３０が湾曲しているため、導光体３０を、曲面形状に形成された建物の壁面や屋根に設置することができる。本実施形態の場合、導光体３０は一方向に湾曲した形状とされているが、導光体３０の形状はこのような単純な形状に限らない。例えば、瓦状の形状や波状の形状など、自由な形状に設計することができる。導光体３０を設置する場所に応じて、湾曲形状だけでなく、稜線を有して屈曲した屈曲形状を有していてもよい。湾曲した面や屈曲した面は、光入射面の少なくとも一部に設けられていればよく、それにより、上述した効果が得られる。
［第６実施形態］
図１８は、第６実施形態の太陽電池モジュール３５の模式図である。太陽電池モジュール３５では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３３と太陽電池素子３４の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３３と太陽電池素子３４の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
図１８は、第６実施形態の太陽電池モジュール３５の模式図である。太陽電池モジュール３５では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３３と太陽電池素子３４の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３３と太陽電池素子３４の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
太陽電池モジュール３５では、導光体３３は、Ｙ軸と平行な軸を中心軸とする筒状の部材として構成され、太陽電池素子３４は、光射出面である導光体３３の第１端面３３ｃから射出された光を受光するように構成されている。導光体３３は、例えば、厚みが一定の円筒状の形状を有する。導光体３３の外周面が第１主面３３ａであり、導光体３３の内周面が第２主面３３ｂである。導光体３３の第１主面３３ａと第２主面３３ｂのうち、外側に凸状に湾曲した第１主面３３ａが、外光（例えば太陽光）Ｌが入射する光入射面である。
光入射面３３ａに入射した光Ｌは、導光体３３の内部に分散された図示略の複数の光機能材料によって吸収される。そして、複数の光機能材料の間でフェルスター機構によるエネルギー移動が生じ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料から放射された光が、光入射面３３ａよりも面積の小さい光射出面３３ｃに集光して射出される。導光体３３の内部に分散される複数の光機能材料としては、例えば、図２ないし図６に示した第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃが用いられている。
太陽電池素子３４としては、第１実施形態と同じアモルファスシリコン太陽電池が用いられている。太陽電池素子３４は、受光面を導光体３３の第１端面３３ｃと対向させて配置されている。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３４の分光感度を比較すると、複数の光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料（第３蛍光体８ｃ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３４の分光感度は、導光体３３に備えられた他のいずれの光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３４の分光感度よりも大きい。これにより、発電効率の高い太陽電池モジュール３５が提供される。
太陽電池モジュール３５では、導光体３３の光入射面３３ａが湾曲した面となっている。そのため、昼間と夕方のように時間帯によって光Ｌの入射角が導光体３３の湾曲方向に沿って変化した場合でも、発電量は大きく変化しない。また、導光体３３が筒状に形成されているため、導光体３３を建物の柱や電柱などに設置することができる。本実施形態の場合、導光体３３は円筒状に形成されているが、導光体３３の形状はこのような形状に限らす、ＸＺ平面と平行な平面で切った断面が楕円や多角形など、導光体３３を設置する場所に応じて自由な形状に設計することができる。
［第７実施形態］
図１９は、第７実施形態の太陽電池モジュール３８の模式図である。太陽電池モジュール３８では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３６と太陽電池素子３７の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３６と太陽電池素子３７の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
図１９は、第７実施形態の太陽電池モジュール３８の模式図である。太陽電池モジュール３８では、第１実施形態の太陽電池モジュール１と比較して、導光体３６と太陽電池素子３７の形状及び配置が異なる。よって、ここでは、導光体３６と太陽電池素子３７の形状及び配置について説明し、それ以外の構成については、詳細な説明は省略する。
太陽電池モジュール３８では、導光体３６は、Ｙ方向に延びる柱状の部材として構成され、太陽電池素子３７は、光射出面である導光体３６の第１端面３６ｃから射出された光を受光するように構成されている。導光体３６は、例えば、Ｙ軸と平行な軸を中心軸とする円柱状の形状を有する。導光体３６の外周面が第１主面３６ａであり、該第１主面３６ａが、外光（例えば太陽光）Ｌが入射する光入射面である。
太陽電池素子３７としては、第１実施形態と同じアモルファスシリコン太陽電池が用いられている。太陽電池素子３７は、受光面を導光体３６の第１端面３６ｃと対向させて配置されている。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３７の分光感度を比較すると、複数の光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料（第３蛍光体８ｃ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３７の分光感度は、導光体３６に備えられた他のいずれの光機能材料（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ）の発光スペクトルのピーク波長における太陽電池素子３７の分光感度よりも大きい。これにより、発電効率の高い太陽電池モジュール３８が提供される。
図１９では、導光体３６と太陽電池素子３７とを１組とする単位ユニット３９がＸ方向に互いに隣接して８組設置されているが、単位ユニット３９の数はこれに限定されない。単位ユニット３９の数は１組でもよいし、８組以外の複数組でもよい。単位ユニット３９を複数組設けた場合には、平面への設置が可能となる。複数組の単位ユニット３９を紐状の連結部材４０で柔軟に連結した場合には、平面でない曲面などに自由に形を変えて設置することができとともに、簾のように必要なときに展開し、必要でないときに巻き取って収納するなどの調整が可能となる。また、複数組の単位ユニット３９を硬い棒状の連結部材４０などで互いに間隔を空けて連結した場合には、導光体３６間の空間を風が通るため、風圧を緩和することができ、太陽電池モジュールの架台の設置が簡単になる。
なお、本実施形態の場合、導光体３６は円柱状に形成されているが、導光体３６の形状はこのような形状に限らす、ＸＺ平面と平行な平面で切った断面が楕円や多角形など、導光体３６を設置する場所に応じて自由な形状に設計することができる。
太陽電池モジュール３８では、導光体３６の光入射面３６ａが湾曲した面となっている。そのため、昼間と夕方のように時間帯によって光Ｌの入射角が導光体３６の湾曲方向に沿って変化した場合でも、発電量は大きく変化しない。また、導光体３６が柱状に形成されているため、複数の導光体３６を並べて柔軟に連結することにより、平面上のみならず曲面上への設置が可能となり、また、簾のように展開／巻き取りが可能な構成を実現することができる。
［太陽光発電装置］
図２０は、太陽光発電装置１０００の概略構成図である。
図２０は、太陽光発電装置１０００の概略構成図である。
太陽光発電装置１０００は、太陽光のエネルギーを電力に変換する太陽電池モジュール１００１と、太陽電池モジュール１００１から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ（直流／交流変換器）１００４と、太陽電池モジュール１００１から出力された直流電力を蓄える蓄電池１００５と、を備えている。
太陽電池モジュール１００１は、太陽光を集光する導光体１００２と、導光体１００２によって集光された太陽光によって発電を行う太陽電池素子１００３と、を備えている。
太陽電池モジュール１００１としては、例えば、第１実施形態ないし第９実施形態で説明した太陽電池モジュールが用いられる。
太陽電池モジュール１００１としては、例えば、第１実施形態ないし第９実施形態で説明した太陽電池モジュールが用いられる。
太陽光発電装置１０００は外部の電子機器１００６に対して電力を供給する。電子機器１００６には、必要に応じて補助電力源１００７から電力が供給される。
太陽光発電装置１０００は、上述した本発明に係る太陽電池モジュールを備えているため、発電効率の高い太陽光発電装置となる。
本発明は、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置に利用することができる。
１…太陽電池モジュール、４…導光体、４ａ…光入射面、４ｃ…光射出面、６…太陽電池素子、７…反射層、８ａ，８ｂ，８ｃ…蛍光体（光機能材料）、９…反射層、２４…導光体、２５…透明導光体、２５ａ…第１主面、２６…蛍光フィルム（光機能材料層）、２８…粘着層、３０…導光体、３０…光入射面、３０ｃ…光射出面、３１…太陽電池素子、３２…太陽電池モジュール、３３…導光体、３３ａ…光入射面、３３ｃ…光射出面、３４…太陽電池素子、３５…太陽電池モジュール、３６…導光体、３６ａ…光入射面、３６ｃ…光射出面、３７…太陽電池素子、３８…太陽電池モジュール、３９…単位ユニット、４０…連結部材、１０００…太陽光発電装置、Ｌ，Ｌ１…光
Claims (19)
- 光入射面に入射した外光の一部を複数の光機能材料によって吸収し、前記複数の光機能材料の間でフェルスター機構によるエネルギー移動を生じさせ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料から放射された光を前記光入射面よりも面積の小さい光射出面に集光して射出する導光体と、
前記導光体の光射出面から射出された前記光を受光する太陽電池素子と、を備え、
前記複数の光機能材料のうち最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料の発光スペクトルのピーク波長における前記太陽電池素子の分光感度は、前記導光体に備えられた他のいずれの光機能材料の発光スペクトルのピーク波長における前記太陽電池素子の分光感度よりも大きい太陽電池モジュール。 - 前記光機能材料のうち、前記最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料以外の１又は複数の光機能材料には、蛍光量子収率が８０％以下の光機能材料が含まれている請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記最も発光スペクトルのピーク波長が大きい光機能材料の蛍光量子収率は、前記導光体に備えられた他のいずれの光機能材料の蛍光量子収率よりも高い請求項２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導光体は、前記光機能材料として、無機材料からなる光機能材料を備えている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導光体は、前記無機材料からなる光機能材料として、量子ドットからなる光機能材料を備えている請求項４に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導光体には、前記導光体の内部から前記導光体の外部に向けて進行する前記光を前記導光体の内部に向けて反射する反射層が、前記導光体と空気層を介して又は前記導光体と空気層を介さずに直接接触して設けられている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記反射層は、入射した光を散乱反射する散乱反射層である請求項６に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導光体は、透明導光体の内部に前記複数の光機能材料を分散させることにより形成されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導光体は、透明導光体と、前記透明導光体の第１主面に設けられ、内部に前記複数の光機能材料が分散された光機能材料層と、を備えている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記透明導光体と前記光機能材料層とは、剥離可能な粘着層で接着されている請求項９に記載の太陽電池モジュール。
- 前記光入射面は平坦な面である請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導光体は、平坦な板状の部材として構成され、
前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光する請求項１１に記載の太陽電池モジュール。 - 前記光入射面の少なくとも一部は屈曲又は湾曲した面である請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導光体は、湾曲した板状の部材として構成され、
前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の湾曲した端面から射出された前記光を受光する請求項１３に記載の太陽電池モジュール。 - 前記導光体は、筒状の部材として構成され、
前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光する請求項１３に記載の太陽電池モジュール。 - 前記導光体は、柱状の部材として構成され、
前記太陽電池素子は、前記光射出面である前記導光体の端面から射出された前記光を受光する請求項１３に記載の太陽電池モジュール。 - 前記導光体と前記太陽電池素子とを１組とする単位ユニットが、互いに隣接して複数組設置され、前記複数組の単位ユニットが紐状の連結部材で互いに柔軟に連結されている請求項１６に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導光体と前記太陽電池素子とを１組とする単位ユニットが、互いに隣接して複数組設置され、前記複数組の単位ユニットが互いに間隔を空けて連結されている請求項１６に記載の太陽電池モジュール。
- 請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールを備えている太陽光発電装置。
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